Metallisches Wasser zum ersten Mal unter terrestrischen Bedingungen hergestellt

Ein schlechter Leit­er für Elek­triz­ität ist reines Wass­er. Es ist in der Tat ein elek­trisch­er Iso­la­tor. Um Elek­triz­ität zu leit­en, muss Wass­er zum Beispiel gelöste Salze enthal­ten, doch die Leit­fähigkeit eines solchen Elek­trolyten ist rel­a­tiv ger­ing, um mehrere Größenord­nun­gen geringer als die von Met­allen. Ist es möglich, Wass­er herzustellen, das so leit­fähig ist wie z. B. Kupfer­draht? Wis­senschaftler haben die Hypothese aufgestellt, dass dies in den Ker­nen großer Plan­eten geschehen kön­nte, wo ein hoher Druck die Wasser­moleküle so weit kom­prim­iert, dass sich ihre Elek­tro­nen­hüllen zu über­lap­pen begin­nen. Derzeit über­steigt die Erzeu­gung eines solchen Drucks auf der Erde die Möglichkeit­en des Men­schen, so dass man davon aus­ging, dass die Her­stel­lung von met­allis­chem Wass­er unter irdis­chen Bedin­gun­gen auf abse­hbare Zeit ein unerr­e­ich­bares Ziel bleiben würde. Ein inter­na­tionales Forscherteam unter der Leitung von Pavel Jung­wirth vom IOCB Prag hat jedoch eine neue Meth­ode entwick­elt, mit der es ihnen gelun­gen ist, met­allis­ches Wass­er unter irdis­chen Bedin­gun­gen herzustellen, das mehrere Sekun­den lang anhält.
Die Idee, mit Hil­fe von enormem Druck Met­all aus Wass­er herzustellen, ist nicht neu. Im Prinzip sollte es möglich sein, Wasser­moleküle so weit zu kom­prim­ieren, dass sich ihre Elek­tro­nen­schalen über­lap­pen und ein so genan­ntes Leitungs­band bilden, ähn­lich wie in met­allis­chen Werk­stof­fen. Der dafür erforder­liche Druck von 50 Mbar (d. h. etwa 50 Mil­lio­nen Mal höher als auf der Erdober­fläche) find­et sich in den Ker­nen großer Plan­eten, ist aber unter irdis­chen Bedin­gun­gen noch nicht zu erreichen.
In Zusam­me­nar­beit mit Forsch­ern der Uni­ver­si­ty of South Car­oli­na, des Fritz-Haber-Insti­tuts und anderen Insti­tuten hat Jung­wirths Team kür­zlich eine Meth­ode entwick­elt, mit der es möglich ist, met­allis­ches Wass­er herzustellen, ohne dass dafür hoher Druck erforder­lich ist. Die Meth­ode baut auf früheren Forschungsar­beit­en der Pavel Jung­wirth Gruppe auf, die sich mit dem Ver­hal­ten von Alka­limet­allen in Wass­er und flüs­sigem Ammo­ni­ak beschäftigten. Angeregt durch Arbeit­en mit Alka­limet­all-Flüs­sig-Ammo­ni­ak-Lösun­gen, die sich bei hohen Konzen­tra­tio­nen wie ein Met­all ver­hal­ten, beschlossen die Forsch­er, die Schaf­fung eines Leitungs­ban­des nicht durch Kom­prim­ierung von Wasser­molekülen, son­dern durch mas­sive Auflö­sung der aus dem Alka­limet­all freige­set­zten Elek­tro­nen zu ver­suchen. Dabei mussten sie jedoch ein grundle­gen­des Hin­der­nis über­winden: Alka­limet­alle explodieren sofort, wenn sie in Wass­er gelangen.

“Natri­um in Wass­er zu wer­fen ist eines der beliebtesten Schulex­per­i­mente und Gegen­stand viel­er YouTube-Videos. Wenn man einen Natri­um­brock­en in Wass­er wirft, erhält man bekan­ntlich kein met­allis­ches Wass­er, son­dern eine sofor­tige und starke Explo­sion, die die Appa­ratur zer­stört. Um diese inten­sive und für Laborzwecke eher kon­trapro­duk­tive Chemie einzudäm­men, sind wir umgekehrt vorge­gan­gen: Anstatt das Alka­limet­all zum Wass­er zu geben, haben wir das Wass­er zum Met­all gegeben.
— Pavel Jungwirth

In ein­er Vaku­umkam­mer set­zten die Forsch­er einen Tropfen der Natri­um-Kali­um-Legierung ein­er kleinen Menge Wasser­dampf aus, der sich an der Ober­fläche nieder­schlug. Die aus dem Alka­limet­all freige­set­zten Elek­tro­nen lösten sich in der Wasser­schicht auf der Ober­fläche schneller auf als die chemis­che Reak­tion, die zur Explo­sion führt. Sie waren in aus­re­ichen­der Zahl vorhan­den, um die kri­tis­che Gren­ze für die Bil­dung eines Leitungs­ban­des zu über­winden und so eine met­allis­che Wasser­lö­sung entste­hen zu lassen, die neben den Elek­tro­nen auch gelöste Alka­li-Katio­nen und chemisch gebildetes Hydrox­id und Wasser­stoff enthielt.
“Dadurch kon­nten wir eine dünne Schicht gold­far­ben­er met­allis­ch­er Wasser­lö­sung erzeu­gen, die mehrere Sekun­den lang anhielt, und das reichte aus, um sie nicht nur mit eige­nen Augen zu sehen, son­dern auch mit Spek­trom­e­tern zu messen”, sagt Jung­wirth und fügt hinzu: “In einem kleinen Labor an unserem Insti­tut in Prag, in dem auch die ersten Exper­i­mente stat­tfan­den, haben wir uns die nöti­gen Appa­ra­turen mehr oder weniger zusam­menge­bastelt. Den entschei­den­den Nach­weis für das Vorhan­den­sein von met­allis­chem Wass­er haben wir dann mit Rönt­gen-Pho­toelek­tro­nen­spek­troskopie am Syn­chro­tron in Berlin erbracht.”
Die Studie “Spec­tro­scop­ic evi­dence for a gold-coloured metal­lic water solu­tion” der Forsch­er des IOCB Prag und ihrer Kol­le­gen, die jet­zt in Nature veröf­fentlicht wurde, zeigt nicht nur, dass met­allis­ches Wass­er unter irdis­chen Bedin­gun­gen hergestellt wer­den kann, son­dern liefert auch eine detail­lierte Charak­ter­isierung der spek­troskopis­chen Eigen­schaften, die mit seinem schö­nen gold­e­nen Met­all­glanz ver­bun­den sind.